崔紅社 姜鍍輝

青島理工大學環(huán)境與市政工程學院

目前己有學者對空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)運行策略進行了大量的研究[1-4]，但結(jié)合建筑本體的蓄能特性，利用圍護結(jié)構(gòu)熱量傳遞延遲性的系統(tǒng)運行策略還有待進一步研究。本文在TRNSYS軟件平臺上構(gòu)建了空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)仿真模型，以寒冷地區(qū)100m2典型農(nóng)村獨立民居為對象，結(jié)合了當?shù)胤骞入妰r，在谷時段利用建筑圍護結(jié)構(gòu)熱惰性進行蓄熱，預測空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)運行情況，可為實際工程提供參考。

1 模型概述

本文在 TRNSYS 平臺上搭建空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)仿真模型，供暖系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 供暖系統(tǒng)示意圖

1.1 建筑模型

該農(nóng)村居住建筑地點位于北京，建筑層高3.2m，為單層居住建筑，共有4個供暖房間，分別為左臥室、客廳、中臥室、廚房，總供暖面積100m2。北京冬季供暖室外計算溫度-7.6℃[5]，供暖時間為11月15日到次年3月15日。根據(jù)GBT50824-2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》對農(nóng)村寒冷地區(qū)外墻、窗導熱系數(shù)限值的規(guī)定，對文獻[6]中的寒冷地區(qū)典型農(nóng)村居住建筑進行圍護結(jié)構(gòu)改造，外墻增加了8cm膨脹聚苯板，窗戶改為中空玻璃。改造后的圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)如表1所示。

表1 圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)

該典型建筑通風換氣次數(shù)為1次/h，南向窗墻比為0.1，北向窗墻比為0.05。地板輻射采暖表面為水泥，最下方設(shè)置隔熱層，填充層為60mm混凝土。地埋管為DN20的PE管，管間距200mm，共有四路盤管，各路管長如表2所示。

表2 典型農(nóng)村居住建筑管路分布

1.2 系統(tǒng)模型

TRNSYS目前還缺少可以完善考慮空氣源熱泵除霜影響下機組能效的空氣源熱泵模塊，因此本文采用文獻[7]中的經(jīng)驗公式對熱泵機組COP（制熱性能系數(shù)）進行除霜修正，熱泵機組性能參數(shù)CAPr與COPr采用麥克維爾提供的機組測試數(shù)據(jù)。CAPr與COPr整理如下：

式中：CAPr為廠家提供性能曲線制熱量與名義工況制熱量的比值；COPr為廠家提供性能曲線COP與名義工況COP的比值；to為室外溫度，℃；tg為熱泵機組出水溫度，℃。

當環(huán)境溫度低于7℃和高于7℃時，機組除霜造成的COP衰減值CAPdf分別如式（3）和式（4）所示：

通過 FORTRAN 將該經(jīng)驗公式寫入到新的空氣源熱泵模塊type237?？諝庠礋岜眠x擇麥克維爾風冷熱泵MACO50ER5-AE，水泵選擇臥式多級離心泵。設(shè)備詳細參數(shù)如表3所示。

表3 設(shè)備詳細參數(shù)

對實際項目仿真，供暖系統(tǒng)模型還需做出一些假設(shè)，包括系統(tǒng)未考慮壓力變化對水泵能效的影響及機組到末端盤管間的管道散熱損失。天氣文件采用北京典型氣象年TMY2 數(shù)據(jù)文件，TRNSYS仿真系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 TRNSYS仿真系統(tǒng)

2 蓄熱運行策略優(yōu)化

空氣源熱泵供水溫度早6點到晚6點為42℃，晚6點到早6點為40℃。建筑末端側(cè)采用PID調(diào)節(jié)，通過溫度感受器檢測室內(nèi)溫度，PID控制器輸出信號給各房間支路的電磁閥，通過改變電磁閥開度改變流量。為方便分析運行策略，左臥室、客廳、中臥室、廚房的PID控制器設(shè)定室內(nèi)溫度都為18℃。

蓄熱時間設(shè)置為谷時段結(jié)束前1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、7 h、8 h、9 h、10 h。蓄熱時段內(nèi)房間設(shè)定溫度為蓄熱溫度，蓄熱溫度參考DBJ/T14-014-2009《低溫熱水地板輻射供暖技術(shù)規(guī)程》中，人員長期停留區(qū)域適宜溫度24～26℃，一般室內(nèi)溫度比地板表面溫度低2～3℃。因此，蓄熱溫度設(shè)置為19℃、20℃、21℃、22℃，非蓄熱時段室內(nèi)溫度設(shè)置為18℃。

2.1 蓄熱溫度及蓄熱時間優(yōu)化

結(jié)合北京市農(nóng)村地區(qū)現(xiàn)行峰谷電價，適當增加谷時段蓄熱溫度及蓄熱時間，使用建筑本體進行蓄熱，緩解電網(wǎng)壓力，減少運行費用。北京農(nóng)村地區(qū)目前實行峰谷電價，電價表如表4所示。

表4 北京農(nóng)村地區(qū)居民用電峰谷電價

采暖季運行費用隨房間室內(nèi)蓄熱溫度及蓄熱時間的變化如圖3所示。

圖3 采暖季運行費用隨蓄熱溫度及蓄熱時間變化

由圖3可知，蓄熱溫度20℃，蓄熱時間為7h，采暖季運行的費用最低，為1644元。當蓄熱溫度超過20℃，蓄熱運行策略經(jīng)濟效益下降。因為隨著蓄熱溫度升高，機組在該時段制熱量升高，但由于該時段處于夜間，室外溫度較低，熱泵機組效率較低。且隨著蓄熱溫度升高，建筑散熱損失也在升高，因此不建議設(shè)定過高的蓄熱溫度。

圖4 最優(yōu)蓄熱運行策略下采暖季各房間室內(nèi)溫度變化

圖4為最優(yōu)蓄熱運行策略下采暖季各房間室內(nèi)溫度變化。其中，橫坐標為采暖季時間，左縱坐標分別為左臥室、客廳、中臥室、廚房的室內(nèi)溫度，右縱坐標為室外溫度。最優(yōu)蓄熱運行策略下各房間室內(nèi)溫度可以滿足熱舒適要求，各房間室內(nèi)溫度與室外溫度之間具有明顯的延遲性。

2.2 谷時段電價變化對蓄熱運行策略的影響

最優(yōu)蓄熱策略下采暖季熱負荷為11325 kWh，水泵和熱泵機組的總耗電為4520 kWh，相較于無蓄熱策略，運行費用可節(jié)省3.6%。保持峰時段電價不變，得到不同谷時段電價下最優(yōu)蓄熱溫度及蓄熱時間，并比較最優(yōu)蓄熱策略與無蓄熱策略的運行費用。

表5為不同谷時段電價下采暖季運行費用。峰時段電價保持0.55元/kWh不變，隨著谷時段電價降低，蓄熱溫度增高，蓄熱時間增長，供暖系統(tǒng)蓄熱策略節(jié)省運行費用比例的增速提高。當谷時段電價低于 0.14元/kWh時，蓄熱溫度21℃，采用全谷時段蓄熱策略，可比無蓄熱策略節(jié)省運行費用20%以上。當谷時段電價為0.1 元 /kWh 時，最優(yōu)蓄熱策略下運行費用節(jié)省26.9%。因此，在進行蓄熱策略的制定時，應當充分考慮當?shù)噩F(xiàn)行峰谷電價。

表5 不同谷時段電價下采暖季運行費用

3 結(jié)論

本文在TRNSYS軟件平臺上搭建空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)仿真計算模型，以寒冷地區(qū)的100m2典型建筑為對象，結(jié)合當?shù)仉妰r，利用建筑圍護結(jié)構(gòu)進行谷時段蓄熱。最優(yōu)蓄熱溫度為20℃，蓄熱時間為7h，整個采暖季供暖系統(tǒng)運行費用為16.44元/m2，相較于無蓄熱策略運行費用節(jié)省3.6%。保持峰時段電價0.55元/kWh不變，隨著谷時段電價的降低，最優(yōu)蓄熱溫度及蓄熱時間增加，供暖系統(tǒng)蓄熱策略節(jié)省運行費用的優(yōu)勢更加明顯。當谷時段電價為0.1元/kWh，蓄熱溫度21℃，采用全谷時段蓄熱策略，可比無蓄熱策略節(jié)省運行費用26.9%。